Les «points chauds» augmentent l'efficacité du desa solaire

Les ingénieurs de l'Université Rice augmentent de 50 % la production d'un système de dessalement solaire

Université du riz

image: Les chercheurs de l'Université Rice (de gauche à droite) Pratiksha Dongare, Alessandro Alabastri et Oara Neumann ont montré que le système de "distillation par membrane solaire activée par la nanophotonique" (NESMD) de Rice était plus efficace lorsque la taille de l'appareil était augmentée et que la lumière était concentrée dans les "points chauds".Voir plus

Crédit : Jeff Fitlow/Rice University

HOUSTON - (18 juin 2019) - L'approche solaire de la Rice University pour purifier l'eau salée avec la lumière du soleil et les nanoparticules est encore plus efficace que ses créateurs ne le pensaient au départ.

Des chercheurs du Laboratoire de nanophotonique de Rice (LANP) ont montré cette semaine qu'ils pouvaient augmenter l'efficacité de leur système de dessalement à énergie solaire de plus de 50 % en ajoutant simplement des lentilles en plastique peu coûteuses pour concentrer la lumière du soleil dans les « points chauds ». Les résultats sont disponibles en ligne dans les Actes de l'Académie nationale des sciences.

"Le moyen typique d'améliorer les performances des systèmes solaires consiste à ajouter des concentrateurs solaires et à apporter plus de lumière", a déclaré Pratiksha Dongare, étudiante diplômée en physique appliquée à la Rice's Brown School of Engineering et co-auteure principale de l'article. "La grande différence ici est que nous utilisons la même quantité de lumière. Nous avons montré qu'il est possible de redistribuer cette énergie à peu de frais et d'augmenter considérablement le taux de production d'eau purifiée."

Dans la distillation à membrane conventionnelle, de l'eau chaude salée s'écoule d'un côté d'une membrane en forme de feuille tandis que de l'eau froide et filtrée s'écoule de l'autre. La différence de température crée une différence de pression de vapeur qui entraîne la vapeur d'eau du côté chauffé à travers la membrane vers le côté plus froid et à basse pression. La mise à l'échelle de la technologie est difficile car la différence de température à travers la membrane - et la production d'eau propre qui en résulte - diminue à mesure que la taille de la membrane augmente. La technologie de «distillation de membrane solaire activée par la nanophotonique» (NESMD) de Rice résout ce problème en utilisant des nanoparticules absorbant la lumière pour transformer la membrane elle-même en un élément chauffant à énergie solaire.

Dongare et ses collègues, dont le co-auteur principal de l'étude, Alessandro Alabastri, recouvrent la couche supérieure de leurs membranes de nanoparticules à faible coût, disponibles dans le commerce, conçues pour convertir plus de 80 % de l'énergie solaire en chaleur. Le chauffage par nanoparticules à énergie solaire réduit les coûts de production et les ingénieurs de Rice travaillent à développer la technologie pour des applications dans des zones reculées qui n'ont pas accès à l'électricité.

Le concept et les particules utilisés dans le NESMD ont été démontrés pour la première fois en 2012 par la directrice du LANP Naomi Halas et la chercheuse Oara Neumann, qui sont toutes deux co-auteurs de la nouvelle étude. Dans l'étude de cette semaine, Halas, Dongare, Alabastri, Neumann et le physicien du LANP Peter Nordlander ont découvert qu'ils pouvaient exploiter une relation non linéaire inhérente et non reconnue auparavant entre l'intensité de la lumière incidente et la pression de vapeur.

Alabastri, physicien et professeur adjoint de recherche Texas Instruments au département de génie électrique et informatique de Rice, a utilisé un exemple mathématique simple pour décrire la différence entre une relation linéaire et non linéaire. "Si vous prenez deux nombres égaux à 10 - sept et trois, cinq et cinq, six et quatre - vous obtiendrez toujours 10 si vous les additionnez. Mais si le processus n'est pas linéaire, vous pouvez les mettre au carré ou même les mettre au cube avant d'ajouter. Donc, si nous avons neuf et un, ce serait neuf au carré, ou 81, plus un au carré, ce qui équivaut à 82. C'est bien mieux que 10, ce qui est le mieux que vous puissiez faire avec une relation linéaire. "

Dans le cas du NESMD, l'amélioration non linéaire provient de la concentration de la lumière du soleil dans de minuscules points, un peu comme un enfant avec une loupe par une journée ensoleillée. La concentration de la lumière sur un point minuscule de la membrane entraîne une augmentation linéaire de la chaleur, mais le chauffage, à son tour, produit une augmentation non linéaire de la pression de vapeur. Et la pression accrue force plus de vapeur purifiée à travers la membrane en moins de temps.

"Nous avons montré qu'il est toujours préférable d'avoir plus de photons dans une zone plus petite que d'avoir une distribution homogène de photons sur toute la membrane", a déclaré Alabastri.

Halas, un chimiste et ingénieur qui a passé plus de 25 ans à être le pionnier de l'utilisation des nanomatériaux activés par la lumière, a déclaré : « Les efficacités fournies par ce processus optique non linéaire sont importantes car la pénurie d'eau est une réalité quotidienne pour environ la moitié de la population mondiale, et une distillation solaire efficace pourrait changer cela.

"Au-delà de la purification de l'eau, cet effet optique non linéaire pourrait également améliorer les technologies qui utilisent le chauffage solaire pour piloter des processus chimiques comme la photocatalyse", a déclaré Halas.

Par exemple, LANP développe une nanoparticule à base de cuivre pour convertir l'ammoniac en carburant hydrogène à pression ambiante.

Halas est titulaire de la chaire Stanley C. Moore de génie électrique et informatique, directeur du Smalley-Curl Institute de Rice et professeur de chimie, de bio-ingénierie, de physique et d'astronomie, ainsi que de science des matériaux et de nano-ingénierie.

NESMD est en cours de développement au Centre de traitement de l'eau activé par la nanotechnologie (NEWT) basé sur le riz et a obtenu un financement de recherche et développement du programme de dessalement solaire du ministère de l'Énergie en 2018.

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La recherche a été soutenue par la National Science Foundation (EEC-1449500), l'Air Force Office of Scientific Research (FA9550-15-1-0022), la Welch Foundation (C-1220, C-1222 et LC-0004) et le programme de bourses J. Evans Attwell-Welch du Smalley-Curl Institute et le programme de bourses Peter M. et Ruth L. Nicholas. Dongare, Alabastri, Neumann, Nordlander et Halas sont co-inventeurs d'un brevet provisoire relatif à la recherche.

La VIDEO est disponible sur :

https://youtu.be/z36jMKk-AdQ

Des IMAGES haute résolution sont disponibles en téléchargement sur :

https://news-network.rice.edu/news/files/2019/06/0617_SOLAR-gp6-lg.jpg?CAPTION : Pratiksha Dongare, Alessandro Alabastri et Oara Neumann, chercheurs de l'Université Rice (de gauche à droite), ont montré que le système de "distillation par membrane solaire activée par la nanophotonique" (NESMD) de Rice était plus efficace lorsque la taille de l'appareil était augmentée et que la lumière était concentrée dans des "points chauds". (Photo de Jeff Fitlow/Rice University)

https://news-network.rice.edu/news/files/2019/06/0617_SOLAR-mla1-lg.jpg?CAPTION : Des chercheurs du laboratoire de nanophotonique de l'Université Rice ont découvert qu'ils pouvaient augmenter l'efficacité de leur système de dessalement à énergie solaire de plus de 50 % en ajoutant des lentilles en plastique peu coûteuses pour concentrer la lumière du soleil dans les "points chauds". (Photo de Pratiksha Dongare/Université Rice)

https://news-network.rice.edu/news/files/2019/06/0617_SOLAR-mla4-lg.jpg?LÉGENDE : La concentration de la lumière du soleil sur de minuscules points de la membrane génératrice de chaleur exploite une relation non linéaire inhérente et auparavant non reconnue entre le chauffage photothermique et la pression de vapeur. (Photo de Pratiksha Dongare/Université Rice)

https://news.rice.edu/files/2019/01/0114_SPIERS-Halas030-lg-1svkrsl.jpg?CAPTION : Naomi Halas, directrice du laboratoire de nanophotonique de l'Université Rice, est une ingénieure et chimiste qui a passé plus de 25 ans à être pionnière dans l'utilisation des nanomatériaux activés par la lumière. (Photo de Jeff Fitlow/Rice University)

Liens et ressources :

Le DOI du document PNAS est : 10.1073/pnas.1905311116

Une copie du document est disponible sur : pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1905311116

École d'ingénierie George R. Brown: engineering.rice.edu

Programme d'études supérieures en physique appliquée du riz : Appliedphysics.rice.edu/

Institut Rice Smalley-Curl : sci.rice.edu

Naomi Halas : eceweb.rice.edu/naomi-halas

Rice Département de génie électrique et informatique: ece.rice.edu

Recherche connexe de Rice :

Le DOE finance un essai sur le terrain de la technologie de dessalement solaire de Rice -- 25 juin 2018?https://news.rice.edu/2018/06/25/doe-funds-field-test-of-rices-solar-desalination-technology-2/

Des chercheurs sur le riz vont faire la démonstration de la technologie de dessalement de l'eau -- 13 novembre 2017?https://news.rice.edu/2017/11/13/rice-researchers-to-demonstrate-water-desalination-technology/

Eau douce provenant d'eau salée utilisant uniquement l'énergie solaire -- 19 juin 2017?http://news.rice.edu/2017/06/19/freshwater-from-salt-water-using-only-solar-energy/

Rice, ASU, Yale, UTEP remportent le centre de recherche en ingénierie NSF - 10 août 2015?http://news.rice.edu/2015/08/10/rice-asu-yale-utep-win-nsf-engineering-research-center/

Stérilisation hors réseau avec la «vapeur solaire» de Rice U. - 22 juillet 2013?https://news.rice.edu/2013/07/22/off-grid-sterilization-with-rice-us-solar-steam/

Rice dévoile une technologie d'énergie solaire super efficace ?https://news.rice.edu/2012/11/19/rice-unveils-super-efficient-solar-energy-technology/

Ce communiqué peut être consulté en ligne sur news.rice.edu.

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Située sur un campus boisé de 300 acres à Houston, la Rice University est régulièrement classée parmi les 20 meilleures universités du pays par US News & World Report. Rice a des écoles très respectées d'architecture, de commerce, d'études permanentes, d'ingénierie, de sciences humaines, de musique, de sciences naturelles et de sciences sociales et abrite le Baker Institute for Public Policy. Avec 3 962 étudiants de premier cycle et 3 027 étudiants diplômés, le ratio étudiants de premier cycle / professeurs de Rice est légèrement inférieur à 6 pour 1. Son système de collèges résidentiels construit des communautés soudées et des amitiés pour la vie, une des raisons pour lesquelles Rice est classée n ° 1 pour de nombreuses interactions race / classe et n ° 2 pour la qualité de vie par le Princeton Review. Le riz est également classé comme le meilleur rapport qualité-prix parmi les universités privées par Kiplinger's Personal Finance.

Actes de l'Académie nationale des sciences

10.1073/pnas.1905311116

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